川深1井固井水泥漿高溫沉降穩定性研究與應用

李早元，趙軍，王希勇，鄭冠一，羅德明，符鐵松

（1.西南石油大學油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室，成都 610500；2.中國石化西南油氣分公司工程技術研究院，四川德陽 618000；3.中國石油化工股份有限公司西南石油工程公司固井分公司，四川德陽 618000）

川深1井是中石化集團公司部署在川東北地區的一口超深風險探井，完鉆井深高達8420 m，井底溫度高，固井水泥漿高溫沉降穩定性保持難度大。水泥漿在高溫條件下，一方面由于內部聚合物外加劑易發生降解和熱稀釋作用，導致體系液相黏度降低，懸浮固相顆粒能力變差；另一方面由于高溫下固相顆粒的布朗運動加劇，降低了固相顆粒間的結構力，導致水泥和外摻料顆粒在材料密度差的作用下易發生高溫沉降失穩問題[1-7]。水泥漿高溫沉降失穩不僅關系到超深井固井施工作業安全，而且是影響固井質量、誘導環空氣竄的重要因素之一，因此對水泥漿高溫沉降穩定性問題進行研究和改善具有重要意義。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

實驗材料：G級油井水泥，高溫降失水劑（J1、J2和 J3），高溫緩凝劑（H1、H2和 H3），80 目硅砂（粗砂），200 目硅砂（細砂），5.05 g/cm3密度的鐵礦粉，微硅，液硅，膠乳和納米SiO2。

1.2 實驗方法

1）液相外加劑耐溫能力評價實驗。利用滾子加熱爐對高溫降失水劑和高溫緩凝劑樣品進行180 ℃高溫熱滾處理3 h，將熱滾處理前后的各外加劑樣品一部分利用ZNN-D68型六速旋轉黏度計記錄外加劑高溫處理前后的黏度變化，剩余樣品通過電熱鼓風干燥劑將熱滾處理前后的液相外加劑樣品烘干，通過WQF520紅外光譜儀檢測分析各外加劑熱滾處理前后官能團的變化，聯合表征有機聚合物外加劑的耐溫能力。

2）水泥漿高溫沉降穩定性測試評價實驗。①按照API規范制備水泥漿。②將制備好的水泥漿倒入高溫高壓稠化儀漿杯中，放入高溫高壓稠化儀，打開儀器電機。③儀器設置好相應的溫度、壓力和時間程序，打開加熱器和壓力閥門。④升溫升壓結束后，關閉電機。水泥漿在設定溫度壓力下自由沉降30 min后關閉程序、加熱器和壓力閥門。⑤待儀器溫度低于100 ℃時，以0.1 MPa/s的速率卸掉高溫高壓稠化儀中的壓力，取出漿杯，測量漿杯中水泥漿上、中、下密度以及漿杯底蓋沉降顆粒層的厚度，聯合評價水泥漿的高溫沉降穩定性。

3）利用液氮冷凍技術。結合真空負壓干燥及對樣品進行噴金處理，通過Quanta 450環境掃描電鏡儀觀察水泥漿高溫沉降養護后的內部微觀結構，儀器工作電壓為20 kV，放大倍數為5000。

4）抗壓強度，將沉降后的水泥漿上、中、下樣品分別注入2.54 cm×2.54 cm的鋼模中，利用高溫高壓養護釜進行對應溫度、20 MPa壓力養護1、3、7、14 d后脫模，用電子液壓式壓力試驗機測試水泥石抗壓強度。

5）實驗溫度。以川深1井為研究工況，將研究溫度設定為150～180 ℃，水泥漿密度設定為1.90～2.30 g/cm3。

2 結果與討論

2.1 液相外加劑耐180 ℃高溫能力評價結果

有機聚合物外加劑耐溫能力是水泥漿體系高溫穩定的基礎，并且顯著影響著水泥漿液相黏度以及對固相顆粒的懸浮能力，直接關系到水泥漿體系的高溫沉降穩定性。以溫度高點180 ℃為例，實驗研究了有機聚合物高溫降失水劑（J1、J2和J3）以及高溫緩凝劑（H1、H2和H3）耐180 ℃高溫的能力，其中紅外光譜儀檢測實驗結果如圖1所示，六速旋轉黏度計的數據如表1所示，其中高溫降失水劑因為黏度較大，高溫處理前后的樣品做稀釋1倍處理。

結合圖1和表1的結果可以看出：①高溫180 ℃處理后，3種高溫降失水劑和3種高溫緩凝劑的官能團以及聚合物溶液的塑性黏度或多或少都發生了變化，這反映了聚合物外加劑耐180 ℃高溫能力的大小；②高溫降失水劑J1和高溫緩凝劑H3熱滾前后官能團變化以及二者塑性黏度降低都相對較小，表明二者具有相對良好的耐180 ℃高溫的能力以及穩定水泥漿高溫液相黏度的能力；③高溫降失水劑J2、J3以及高溫緩凝劑H1、H2，四者熱滾前后官能團都發生了極大的變化，例如高溫緩凝劑H1在高溫處理后的紅外光譜中出現了非共軛胺基、磺酸基、羧酸的特征吸收峰，表明內部聚合物發生了嚴重的高溫降解作用，并且四者高溫處理后塑性黏度降低也相對較大，穩定水泥漿高溫液相黏度的能力不強。

圖1 不同液相外加劑180 ℃熱滾處理前后紅外光譜檢測結果圖

表1 各液相外加劑在180 ℃處理前后六速旋轉黏度計讀數

2.2 溫度對水泥漿沉降穩定性影響分析

基于水泥漿高溫沉降穩定性測試評價方法，開展了不同溫度對水泥漿沉降穩定性的測試評價實驗，結果見表2所示。實驗用水泥漿配方為：G級水泥+6%H3+水，密度為1.90 g/cm3。其中30 ℃與180 ℃水泥漿底部顆粒沉降情況分別如圖2所示。

表2 不同養護溫度對水泥漿體系沉降穩定性影響

圖2 30 ℃（左）和180 ℃（右）水泥漿底部顆粒沉降情況

實驗發現，隨著溫度升高，水泥漿體系極易出現沉降失穩問題，其中在180 ℃情況下，水泥漿上下密度差高達0.42 g/cm3，漿杯底部也出現了極多的沉降顆粒，沉降失穩問題極其嚴重。進一步利用高溫高壓養護釜對不同溫度沉降后的水泥漿上、中、下部樣品開展對應溫度、20.7 MPa壓力情況下水泥石抗壓強度實驗，結果如圖3、圖4所示。

圖3 水泥漿30 ℃沉降后上、中、下部樣品養護后水泥石抗壓強度發展

如圖3所示，水泥漿沉降穩定性越好，上、中、下部水泥石后期強度差異越小，更能夠達到良好的固井層間封隔效果。如圖4所示，在150 ℃及180 ℃情況下，水泥漿高溫沉降穩定性極差，養護后的水泥石上、中、下部強度差異極大，中、上部強度遠低于下部強度。

圖4 水泥漿150 ℃沉降后上、中、下部樣品養護后水泥石抗壓強度發展

出現上述的情況，主要是因為水泥漿沉降后中、上部固相水泥顆粒含量相對較少，導致中、上部水泥石內部結構更加疏松，抗壓強度相對較低。如圖5所示，以150 ℃水泥漿沉降后養護3 d的上、下部水泥石熱分析實驗為例，可以看出下部水泥石CH含量為14.941%，而上部水泥石CH含量僅為8.654%，水化產物更少，導致抗壓強度更低。因此有必要針對高溫情況進一步開展水泥漿高溫沉降穩定性研究。

圖5 150℃沉降后上部及下部水泥石養護3 d熱分析實驗情況

2.3 J1對水泥漿高溫沉降穩定性的影響研究

基于水泥漿高溫沉降穩定性測試評價方法，進一步開展了高溫降失水劑J1對不同密度水泥漿高溫（150 ℃、180 ℃）沉降穩定性的影響，結果見表3。水泥漿配方為：G級水泥+35%80目硅砂（粗砂）+（0～110%）5.05鐵礦粉+6%H3+（4%～8%）J1+水。

表3 不同密度水泥漿高溫沉降穩定性實驗結果

通過實驗可以看出：1）當水泥漿密度為1.90～2.10 g/cm3時，依靠耐溫能力良好的高溫緩凝劑和高溫降失水劑，水泥漿體系高溫150～180℃沉降穩定性都能夠滿足設計要求，但當密度增加至2.3 g/cm3時，僅依靠耐溫能力良好的液相外加劑，水泥漿體系高溫150～180 ℃沉降穩定性不能滿足設計要求。

出現上述原因主要是因為高分子聚合物高溫降失水劑J1能夠顯著提高水泥漿體系的液相黏度及液相懸浮能力，但由于高溫降失水劑J1加量有限，且鐵礦粉密度大于水泥顆粒密度，因此容易導致2.3 g/cm3水泥漿體系高溫沉降穩定性不滿足設計要求。其中2.3 g/cm3水泥漿體系中加入8%J1水泥漿沉降養護后的中部樣品進行環境掃描電鏡實驗，結果如圖6所示。雖然耐溫能力好的高溫降失水劑和高溫緩凝劑能防止因外加劑高溫失效而引起的水泥漿高溫沉降失穩問題，但在靜止沉降期間，水泥漿內部顆粒間的結構仍然較差，因此對高密度水泥漿體系的早期沉降失穩問題改善不完全。

圖6 加入8% J1的2.3 g/cm3水泥漿沉降養護后中部樣品微觀結構

2.4 硅砂顆粒級配及超細材料對水泥漿高溫沉降穩定性的影響研究

為了進一步提高高密度水泥漿體系的高溫（150～180 ℃）沉降穩定性，提高固相顆粒間的結構力。基于液相高溫外加劑，進一步探索了硅砂顆粒級配以及超細材料對于高密度水泥漿體系（2.3 g/cm3）高溫沉降穩定性的影響，結果見表4。

表4 顆粒級配及超細材料對2.3 g/cm3密度水泥漿沉降穩定性影響結果(8%J1)

通過實驗發現：①通過硅砂顆粒級配能夠提高水泥漿的高溫沉降穩定性，但改善效果較為一般；②基于硅砂顆粒級配，進一步引入微硅、液硅以及納米SiO2超細材料能顯著提高高密度水泥漿高溫（180 ℃）沉降穩定性，能夠有效解決水泥漿在2.1～2.3 g/cm3高溫（180 ℃）沉降失穩問題，其中超細材料改善高溫沉降穩定性效果排序為：微硅＞納米SiO2（加量有限）＞液硅＞膠乳。為了進一步探索硅砂顆粒級配及微硅、納米SiO2和液硅對水泥漿高溫沉降穩定性的改善機理，針對2.3 g/cm3水泥漿體系，利用環境掃描電鏡實驗觀察水泥漿在高溫（180 ℃）沉降養護1 h后的內部微觀結構，結果如圖7所示。

對比圖6和圖7可以看出：①通過硅砂顆粒級配，能有效充填孔隙，增加了固相顆粒的堆積密度，進一步增加了固相顆粒間的范德華力，達到了提高水泥漿高溫沉降穩定性的目的；②基于硅砂顆粒級配，進一步加入微硅、液硅和納米SiO2這類能與水泥顆粒發生水化反應的超細材料，一方面因其具有較大的比表面積，能夠較好地束縛孔隙自由水，達到增黏的目的，有助于提高水泥漿高溫沉降穩定性；另一方面因能與水化產物更好地生成水化網狀結構，達到增加固相顆粒沉降阻力和下沉摩擦力的目的，能夠進一步顯著提高水泥漿高溫沉降穩定性，效果極好，其中納米SiO2因對水泥漿增稠明顯導致加量有限，改善沉降穩定性效果整體不如微硅與液硅；③膠乳通過成膜覆蓋作用能夠增加固相顆粒間的結構力，從而提高水泥漿高溫沉降穩定性，但在參與水化反應，形成水化網狀結構等方面，效果比微硅、液硅和納米SiO2差。

圖7 硅砂顆粒級配及不同超細材料對水泥漿高溫沉降穩定性影響（180 ℃、1 h）

以表4中4#配方序號4為例，進一步探索水泥漿高溫沉降問題解決后，水泥漿上、中、下部樣品沉降養護后的后期抗壓強度情況，如圖8所示。水泥漿高溫沉降穩定性好，水泥石上、中、下部強度高且差異較小，固井層間封隔能力好。

圖8 4#配方高溫沉降（150 ℃）后水泥漿上、中、下部抗壓強度情況

3 現場應用

研究中的水泥漿高溫沉降穩定性測試評價技術、水泥漿有機聚合物外加劑耐溫能力評價方法、水泥漿硅砂級配設計以及引入超細材料改善高溫沉降穩定性技術應用于川深1井五開油層尾管水泥漿體系設計中，水泥漿配方為：G級油井水泥+30%80目粗硅砂+20% 200目細硅砂+5%微硅+3%膨脹劑B1+7%J1+9%H3+8%膠乳+1%膠乳穩定劑+1%消泡劑+分散劑+水，密度為1.88 g/cm3，水泥漿體系在深層高溫178 ℃情況下，水泥漿高溫沉降穩定性良好（上下密度差0.01 g/cm3且水泥漿底部沉積物極少），配合有針對性的通井措施，做好井眼準備工作以及動態循環承壓實驗、旋流剛性扶正器的安放間距優化、水泥漿批混工藝以及提高頂替排量提高頂替效率技術，固井施工作業順利，固井質量優良率88.1%。

4 結論

1.通過紅外光譜檢測分析液相聚合物外加劑熱滾前后官能團變化能有效表征其耐溫能力，顯著提高高溫水泥漿體系聚合物外加劑的篩選效率，防止因聚合物外加劑高溫失效而引起的水泥漿沉降失穩問題。

2.針對高密度水泥漿體系，應進一步應用緊密堆積理論以及引入超細材料等措施，通過加快形成水泥漿水化網狀結構，進一步提高固相顆粒間的結構力，加強高密度水泥漿體系的高溫沉降穩定性。

3.高溫超深井固井水泥漿提高沉降穩定性的改善技術措施在川深1井五開油層尾管水泥漿體系中得到成功應用，有效地解決了水泥漿高溫沉降失穩問題，固井作業施工順利，固井質量優異。